藍(lán)斐團(tuán)隊(duì)報(bào)道H3K36me2 調(diào)控DNMT3A建立DNA甲基化的機(jī)制
DNA 甲基化作為一種重要的表觀修飾，參與多種生物學(xué)過程，如異染色質(zhì)形成、基因印記、X染色體失活、轉(zhuǎn)座原件沉默等，近年來的研究也表明DNA甲基化異常與癌癥發(fā)生密切相關(guān)，DNA甲基化紊亂成為癌癥的一個(gè)新特征。
哺乳動(dòng)物中，DNA甲基化主要發(fā)生在CpG上（5mC），這是由DNMT酶的特征決定的。人類基因組中約有80% CpG被甲基化，胚胎發(fā)育中DNA甲基化也高度動(dòng)態(tài)變化，關(guān)于DNA甲基化建立和維持的調(diào)控機(jī)制目前仍是一個(gè)重要研究問題。已有研究證明組蛋白修飾可以調(diào)控DNA甲基化，如組蛋白H3K4零甲基化通過被ADD結(jié)構(gòu)域識別誘導(dǎo)DNA甲基轉(zhuǎn)移酶DNMT3A的活化構(gòu)像以刺激其活性；而H3K4甲基化則不具備這種功能（表現(xiàn)為抑制信號），因此DNMT3A不作用于活躍啟動(dòng)子和增強(qiáng)子區(qū)域【1-3】；H3K36me3通過與DNMT3B的PWWP結(jié)構(gòu)域結(jié)合招募DNMT3B促進(jìn)活躍轉(zhuǎn)錄基因體區(qū)（gene body）的甲基化【4,5】，但基因間區(qū)的DNA甲基化調(diào)控過程尚不清楚。
近日，我院藍(lán)斐研究員、吳飛珍副研究員和沈宏杰青年研究員合作在Protein & Cell 在線發(fā)表題為“DNMT3A Reads and Connects H3K36me2 to DNA Methylation”的短文，報(bào)道了DNMT3A可以通過識別H3K36me2 催化基因間區(qū)DNA甲基化建立這一機(jī)制，并在多發(fā)性骨髓瘤細(xì)胞系統(tǒng)中證明這一機(jī)制對于腫瘤增殖的潛在生物意義。
H3K36me2是哺乳動(dòng)物基因組上含量很高的一種修飾，組蛋白質(zhì)譜分析發(fā)現(xiàn)其豐度可達(dá)20%~40%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于H3K36me3（約4-5%），廣泛的分布在基因組中，包括基因間區(qū)以及部分活化基因區(qū)，但其生物學(xué)功能還不清楚。研究人員首先通過全基因組分析發(fā)現(xiàn)H3K36me2 和5mC在基因組上的分布高度相關(guān)（R=0.81）,且二者在基因間區(qū)和啟動(dòng)子上游區(qū)域存在顯著共定位，顯著高于5mC與H3K36me3的相關(guān)性（R=0.63，主要集中在轉(zhuǎn)錄基因體區(qū)），提示H3K36me2 可能與DNA甲基化存在聯(lián)系。體外生化實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)DNMT3A的PWWP結(jié)構(gòu)域?qū)τ贖3K36me2有很強(qiáng)的識別（圖2左），重要的是這一結(jié)合可以顯著促進(jìn)DNMT3A酶活（圖2右）。這也是為數(shù)不多的組蛋白修飾直接激活DNA甲基轉(zhuǎn)移酶酶活的機(jī)制（前述H3K4甲基化是抑制信號）。
圖1. DNMT3A通過PWWP domain識別H3K36me2且酶活增強(qiáng)
研究者進(jìn)一步尋找此類調(diào)控的生理和病理意義。NSD家族甲基轉(zhuǎn)移酶是H3K36me2主要的催化酶，它們常常在多類疾病中存在變異。例如，NSD2染色質(zhì)易位過表達(dá)而引發(fā)的H3K36me2 水平升高是t(4;14)多發(fā)性骨髓瘤（multiple myeloma, MM）的主要致病原因。為了進(jìn)一步研究H3K36me2對于5mC的可能調(diào)控機(jī)制及潛在生物意義，研究人員選取常用的KMS11 (含NSD2易位，H3K36me2異常高)和KMS11TKO（NSD2易位KO，僅有一個(gè)NSD2正常表達(dá)的拷貝，H3K36me2回復(fù)接近正常）細(xì)胞模型進(jìn)行研究。發(fā)現(xiàn)KMS11中NSD2的過表達(dá)和高水平的H3K36me2導(dǎo)致了全基因組5mC水平的顯著升高, 進(jìn)一步通過ChIP-seq和MeDIP-seq分析對比KMS11和KMS11TKO的表觀譜，發(fā)現(xiàn)這些異常的DNA高甲基化主要分布在基因間區(qū)（圖2左）。最后，研究人員發(fā)現(xiàn)DNA甲基化抑制劑5-aza 處理可以特異性抑制KMS11細(xì)胞增殖而對KMS11TKO細(xì)胞影響較小，提示異常DNA甲基化抑制劑在t(4;14)多發(fā)性骨髓瘤治療中的潛在價(jià)值（圖2右）。
圖2. KMS11細(xì)胞基因間區(qū)DNA甲基化水平升高，5-aza處理抑制其細(xì)胞增殖
需要提到的是，在本文投稿期間，哥倫比亞大學(xué)Chao Lu課題組2019年9月發(fā)表在Nature的文章“The histone mark H3K36me2 recruits DNMT3A and shapes the intergenic DNA methylation landscape”也報(bào)道了類似的發(fā)現(xiàn)【6】，H3K36me2通過招募DNMT3A可以調(diào)控基因間區(qū)DNA甲基化的建立。作者利用NSD1劑量不足導(dǎo)致的Sotos綜合征病人血樣和NSD1失活突變的頭頸癌病人樣本分析發(fā)現(xiàn)H3K36me2水平的降低會導(dǎo)致基因間區(qū)CpGme的丟失；同時(shí)，由DNMT3A胚系突變導(dǎo)致的TBRS綜合征（一種兒童過度生長紊亂癥）與Sotos綜合征表現(xiàn)多種相同的臨床癥狀，說明二者發(fā)病機(jī)制上的聯(lián)系。體外生化實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)三種點(diǎn)突變 （W297del，I310N和Y356C）導(dǎo)致DNMT3A的PWWP 結(jié)構(gòu)域不能再識別并結(jié)合H3K36me2/3，測序分析進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)DNMT3A在基因組上的定位以及CpG甲基化·水平降低（主要是H3K36me2富集的基因間區(qū)），說明DNMT3A是通過PWWP結(jié)構(gòu)域被H3K36me2招募至基因間區(qū)催化DNA甲基化建立的。此外，這篇文章中還提到H3K36me2和H3K36me3對于DNMT3A的競爭性結(jié)合，NSD1/2敲除后DNMT3A同樣可以重新結(jié)合在H3K36me3富集的區(qū)域，可見H3K36甲基化修飾對于DNMT3A/B的染色質(zhì)定位以及DNA甲基化調(diào)控的靈活性和多樣性。
DNA甲基化與組蛋白修飾間的相互聯(lián)系一直以來是表觀遺傳領(lǐng)域的一個(gè)主要研究問題，上述研究率先發(fā)現(xiàn)了H3K36me2對于基因間區(qū)DNA甲基化的調(diào)控，但基因組如此復(fù)雜，基因間區(qū)不同區(qū)域、不同調(diào)控元件又是具體如何受到調(diào)控的，以及這些不同區(qū)域的甲基化會如何影響基因表達(dá)，未來可能需要更多研究。
原文鏈接：https://doi.org/10.1007/s13238-019-00672-y
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